Biodegradabilní polymery: koncepce, vlastnosti, způsoby přípravy a příklady reakcí

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 10:22

Můžete si všimnout, že za poslední desetiletí si získaly popularitu produkty s předponou „bio“přidanou k názvu. Má informovat, že výrobek je bezpečný pro lidi a přírodu. Je aktivně propagován médii. Přišlo jim to dokonce směšné - při výběru nápoje považují za nejlepší biokefir a biopalivo už není alternativou ropy, ale ekologickým produktem. A nezapomeňte na bio-extrakty, díky nimž kosmetika dokáže „zázraky“.

Obecné informace

Teď pojďme vážně. Často při pohybu po silnicích můžete vidět spontánní skládky. Navíc existují plnohodnotné skládky, kde se ukládá lidský odpad. Zdá se, že to není špatné, ale je tu jedno mínus - příliš dlouhá doba rozkladu. Existuje velké množství způsobů, jak to napravit – jde o recyklaci odpadků a používání méně škodlivých materiálů, které rychle ničí rozkladače. Promluvme si o druhém případě.

Tady je mnoho bodů. Obaly, pneumatiky, sklo, deriváty chemického průmyslu. Všechny vyžadujíPozornost. Konkrétní univerzální recept však neexistuje. Proto je potřeba konkrétně vědět, co a jak zajistit prevenci znečišťování životního prostředí.

Biodegradabilní polymery byly vyvinuty jako odpověď na problém likvidace plastového odpadu. Není tajemstvím, že jejich objem každým rokem roste. Pro jejich zkrácené označení se používá i slovo biopolymery. Jaká je jejich zvláštnost? V prostředí se mohou rozkládat působením fyzikálních faktorů a mikroorganismů – plísní nebo bakterií. Polymer je považován za takový, pokud je celá jeho hmota absorbována vodou nebo půdou do šesti měsíců. Tím se částečně řeší problém s odpady. Zároveň se získávají produkty rozkladu - voda a oxid uhličitý. Pokud existuje něco jiného, pak je třeba prozkoumat bezpečnost a přítomnost toxických látek. Mohou být také recyklovány většinou standardních technologií výroby plastů, jako je vytlačování, vyfukování, tepelné tvarování a vstřikování.

Na jakých oblastech pracujeme?

Získání biologicky odbouratelných polymerů je poměrně pracný úkol. Vývoj technologií, které umožňují získat bezpečné materiály, se aktivně provádí ve Spojených státech, na evropském kontinentu, v Japonsku, Koreji a Číně. Bohužel je třeba poznamenat, že v Rusku jsou výsledky neuspokojivé. Vytvořit technologii pro biodegradaci plastů a jejich výrobu z obnovitelných surovin je drahá radost. Země má navíc stále dostatek ropy na výrobu polymerů. Ale všechnostejně, lze rozlišit tři hlavní směry:

1. Výroba biologicky odbouratelných polyesterů na bázi hydroxykarboxylových kyselin.
2. Vytváření plastů na bázi reprodukovatelných přírodních složek.
3. Průmyslové polymery se stávají biologicky odbouratelné.

Ale co v praxi? Podívejme se blíže na to, jak se vyrábí biologicky odbouratelné polymery.

Bakteriální polyhydroxyalkanoáty

Mikroorganismy často rostou v prostředí, kde jsou k dispozici živné uhlíky. V tomto případě je nedostatek fosforu nebo dusíku. V takových případech mikroorganismy syntetizují a akumulují polyhydroxyalkanoáty. Slouží jako zásoba uhlíků (zásoby potravin) a energie. V případě potřeby mohou rozkládat polyhydroxyalkanoáty. Tato vlastnost je využívána pro průmyslovou výrobu materiálů této skupiny. Nejdůležitější jsou pro nás polyhydroxybutyrát a polyhydroxyvalerát. Tyto plasty jsou tedy biologicky rozložitelné. Zároveň se jedná o alifatické polyestery odolné vůči ultrafialovému záření.

Je třeba poznamenat, že ačkoli mají dostatečnou stabilitu ve vodním prostředí, moře, půda, kompostování a recyklační prostředí přispívají k jejich biologické degradaci. A děje se to docela rychle. Pokud má kompost například vlhkost 85 % a 20–60 stupňů Celsia, pak rozklad na oxid uhličitý a vodu bude trvat 7–10 týdnů. Kde se používají polyhydroxyalkanoáty?

Onise používají k výrobě biologicky rozložitelných obalů a netkaných materiálů, jednorázových ubrousků, vláken a fólií, výrobků pro osobní péči, vodoodpudivých nátěrů na lepenku a papír. Zpravidla procházejí kyslíkem, jsou odolné vůči agresivním chemikáliím, mají relativní tepelnou stabilitu a pevnost srovnatelnou s polypropylenem.

Pokud mluvíme o nevýhodách biodegradabilních polymerů, je třeba poznamenat, že jsou velmi drahé. Příkladem je Biopol. Stojí 8-10krát více než tradiční plast. Proto se používá pouze v lékařství, k balení některých parfémů a produktů osobní péče. Mezi polyhydroxyalkanoáty je oblíbenější mirel, získaný ze zcukernatělého kukuřičného škrobu. Jeho výhodou je relativně nízká cena. Jeho cena je však stále dvakrát vyšší než u tradičního nízkohustotního polyethylenu. Přitom suroviny tvoří 60 % nákladů. A hlavní úsilí směřuje k hledání jeho levných protějšků. Dotyčný je škrob z obilovin, jako je pšenice, žito, ječmen.

Kyselina polymléčná

Výroba biodegradabilních polymerů pro balení se také provádí pomocí polylaktidu. Je to také kyselina polymléčná. co zastupuje? Jedná se o lineární alifatický polyester, kondenzační produkt kyseliny mléčné. Jde o monomer, ze kterého je polylaktid uměle syntetizován bakteriemi. Nutno podotknout, že jeho výroba pomocí bakterií je jednodušší než tradiční metoda. Polylaktidy totiž vytvářejí bakterie z dostupných cukrů technologicky jednoduchým procesem. Samotný polymer je směsí dvou optických izomerů se stejným složením.

Výsledná látka má poměrně vysokou tepelnou stabilitu. Takže k vitrifikaci dochází při teplotě 90 stupňů Celsia, zatímco k tání dochází při 210-220 Celsia. Také polylaktid je odolný vůči UV záření, mírně hořlavý, a pokud hoří, pak s malým množstvím kouře. Lze jej zpracovávat všemi metodami, které jsou vhodné pro termoplasty. Produkty získané z polylaktidu mají vysokou tuhost, lesk a jsou transparentní. Vyrábějí se z nich talíře, podnosy, fólie, vlákna, implantáty (tak se používají biologicky odbouratelné polymery v lékařství), obaly na kosmetiku a potravinářské výrobky, lahve na vodu, džus, mléko (ne však sycené nápoje, protože materiál prochází oxid uhličitý). Stejně jako látky, hračky, pouzdra na mobilní telefony a počítačové myši. Jak vidíte, využití biodegradabilních polymerů je velmi rozsáhlé. A to je jen pro jednu z jejich skupin!

Produkce a biodegradace kyseliny polymléčné

Poprvé byl patent na jeho výrobu vydán již v roce 1954. Komercializace tohoto bioplastu však začala až na začátku 21. století – v roce 2002. Navzdory tomu již existuje velké množství společností, které se zabývají jeho výrobou - jen v Evropě je jich více než 30. Důležitá výhodakyselina polymléčná je relativně levná – již konkuruje téměř rovnocenně polypropylenu a polyethylenu. Předpokládá se, že již v roce 2020 je polylaktid bude moci začít prosazovat na světovém trhu. Pro zvýšení jeho biologické rozložitelnosti se do něj často přidává škrob. To má také pozitivní vliv na cenu produktu. Je pravda, že výsledné směsi jsou poměrně křehké a musí se do nich přidávat změkčovadla, jako je sorbitol nebo glycerin, aby byl konečný produkt pružnější. Alternativním řešením problému je vytvoření slitiny s jinými degradovatelnými polyestery.

Kyselina polymléčná se rozkládá ve dvou krocích. Nejprve jsou esterové skupiny hydrolyzovány vodou, což vede k tvorbě kyseliny mléčné a několika dalších molekul. Pak se v určitém prostředí za pomoci mikrobů rozkládají. Polylaktidy podstoupí tento proces za 20-90 dní, po kterých zbude pouze oxid uhličitý a voda.

Úprava škrobu

Když se používají přírodní suroviny, je to dobré, protože zdroje na to se neustále obnovují, takže jsou prakticky neomezené. Škrob si v tomto ohledu získal největší oblibu. Ale má to nevýhodu - má zvýšenou schopnost absorbovat vlhkost. Tomu se však lze vyhnout, pokud si všimnete části hydroxylových skupin na esteru.

Chemická úprava umožňuje vytvořit další vazby mezi částmi polymeru, což pomáhá zvýšit tepelnou odolnost, stabilituvůči kyselinám a smykové síle. Výsledný modifikovaný škrob se používá jako biologicky rozložitelný plast. Rozloží se při 30 stupních v kompostu za dva měsíce, takže je vysoce šetrný k životnímu prostředí.

Pro snížení ceny materiálu se používá surový škrob, který se mísí s mastkem a polyvinylalkoholem. Lze jej vyrobit pomocí stejného zařízení jako pro běžný plast. Modifikovaný škrob lze také barvit a tisknout pomocí konvenčních technik.

Upozorňujeme, že tento materiál je svou povahou antistatický. Nevýhodou škrobu je, že jeho fyzikální vlastnosti jsou obecně horší než u petrochemicky vyráběných pryskyřic. Tedy polypropylen, stejně jako vysokotlaký a nízkotlaký polyethylen. A přesto se na trhu uplatňuje a prodává. Používá se tedy k výrobě palet pro potravinářské produkty, zemědělské fólie, obalové materiály, příbory a také sítě na ovoce a zeleninu.

Použití jiných přírodních polymerů

Toto je relativně nové téma – biologicky odbouratelné polymery. Racionální hospodaření v přírodě přispívá k novým objevům v této oblasti. Tolik dalších přírodních polysacharidů se používá při výrobě biodegradabilních plastů: chitin, chitosan, celulóza. A to nejen samostatně, ale i v kombinaci. Například film se zvýšenou pevností se získá z chitosanu, mikrocelulózového vlákna a želatiny. A pokud to zahrabete do země, pak to bude rychlerozkládají mikroorganismy. Může být použit pro balení, podnosy a podobné položky.

Kromě toho jsou docela běžné kombinace celulózy s dikarboxylovými anhydridy a epoxidovými sloučeninami. Jejich síla je v tom, že se rozkládají za čtyři týdny. Z výsledného materiálu se vyrábí lahve, fólie na mulčování, jednorázové nádobí. Jejich tvorba a produkce každým rokem aktivně roste.

Biologická rozložitelnost průmyslových polymerů

Tento problém je docela relevantní. Biologicky odbouratelné polymery, jejichž příklady byly uvedeny výše pro reakce s prostředím, nevydrží v prostředí ani rok. Kdežto průmyslové materiály jej mohou znečišťovat po desetiletí a dokonce staletí. To vše platí pro polyethylen, polypropylen, polyvinylchlorid, polystyren, polyethylentereftalát. Zkrátit dobu jejich degradace je proto důležitým úkolem.

K dosažení tohoto výsledku existuje několik možných řešení. Jednou z nejběžnějších metod je zavádění speciálních přísad do molekuly polymeru. A v teple nebo na světle se proces jejich rozkladu urychluje. To je vhodné pro jednorázové nádobí, lahve, obalové a zemědělské fólie, tašky. Ale bohužel jsou tu také problémy.

První je, že přísady musí být používány tradičními způsoby – lisováním, litím, vytlačováním. V tomto případě by se polymery neměly rozkládat, i když jsou vystaveny teplotězpracovává se. Kromě toho by přísady neměly urychlovat rozklad polymerů na světle a také umožňovat možnost dlouhodobého používání pod ním. To znamená, že je nutné zajistit, aby v určitém okamžiku začal proces degradace. Je to velmi obtížné. Technologický proces zahrnuje přidání 1-8% přísad (například se zavádí dříve diskutovaný škrob) v rámci malého typického způsobu zpracování, kdy ohřev suroviny nepřesáhne 12 minut. Zároveň je ale nutné zajistit, aby byly rovnoměrně rozmístěny po celé polymerní hmotě. To vše umožňuje udržet dobu degradace v rozmezí od devíti měsíců do pěti let.

Vyhlídky na rozvoj

Přestože používání biodegradabilních polymerů nabírá na síle, nyní tvoří mizivé procento z celkového trhu. Přesto našly poměrně široké uplatnění a jsou stále populárnější. Již nyní jsou docela dobře zakořeněné ve výklenku balení potravin. Kromě toho jsou biologicky odbouratelné polymery široce používány pro jednorázové lahve, kelímky, talíře, misky a podnosy. Na trhu se prosadily také v podobě sáčků na sběr a následné kompostování potravinového odpadu, sáčků do supermarketů, zemědělských fólií a kosmetiky. V tomto případě lze použít standardní zařízení pro výrobu biodegradabilních polymerů. Pro své přednosti (odolnost proti degradaci za normálních podmínek, nízká bariéra pro vodní páru a kyslík, žádné problémy s likvidací odpadu, nezávislost na petrochemických surovinách) nadále vítězítrh.

Z hlavních nevýhod je třeba připomenout potíže s velkovýrobou a relativně vysokou cenu. Tento problém lze do určité míry vyřešit velkovýrobními systémy. Zlepšení technologie také umožňuje získat trvanlivější a odolnější materiály. Navíc je třeba poznamenat, že existuje silná tendence zaměřovat se na produkty s předponou „eko“. Toto usnadňují jak média, tak vládní a mezinárodní podpůrné programy.

Opatření na ochranu přírody se postupně zpřísňují, což vede k tomu, že některé tradiční plastové výrobky jsou v některých zemích zakázány. Například balíčky. Jsou zakázány v Bangladéši (poté, co bylo zjištěno, že ucpávají kanalizační systémy a dvakrát způsobují velké záplavy) a Itálii. Postupně přichází uvědomění si skutečné ceny, kterou je třeba zaplatit za chybná rozhodnutí. A pochopení, že je nutné zajistit bezpečnost životního prostředí, povede k dalším a dalším omezením tradičního plastu. Naštěstí je zde poptávka po přechodu na ještě dražší, ale ekologicky šetrné materiály. Kromě toho výzkumná centra v mnoha zemích a velké soukromé společnosti hledají nové a levnější technologie, což je dobrá zpráva.

Závěr

Zvážili jsme tedy, co jsou biologicky odbouratelné polymery, způsoby výroby a rozsah těchto materiálů. Existuje konstantazlepšování a zlepšování technologií. Doufejme tedy, že v příštích letech se náklady na biodegradabilní polymery skutečně vyrovnají materiálům získaným tradičními metodami. Poté bude přechod k bezpečnějšímu a ekologičtějšímu vývoji jen otázkou času.